明渠輸水控制系統(tǒng)耦合ID監(jiān)控模型及諧振濾波算法研究

本項(xiàng)目的主要工作從2011年1月至2013年12月，共歷時(shí)三年。項(xiàng)目按照項(xiàng)目計(jì)劃書擬定的進(jìn)度進(jìn)行，主要開展了以下幾方面的工作：（1）大型渠道系統(tǒng)時(shí)滯參數(shù)及水力學(xué)特性仿真測試；（2）渠池狀態(tài)變量耦合算法；（3）耦合ID建模及魯棒性分析；（4）渠池諧振機(jī)理分析及濾波算法。研究工作順利實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的研究目標(biāo)，得到的主要研究成果有：（1）建立了大型渠系狀態(tài)空間ID模型參數(shù)的模型辨識(shí)方法，可以基于水力學(xué)仿真程序求解ID模型關(guān)鍵的As和τ；（2）基于渠池間耦合特性，建立了耦合狀態(tài)空間模型，采用相鄰渠池間的控制目標(biāo)水位差作為控制目標(biāo)，提高了模型的魯棒性以及控制的靈活性；（3）開發(fā)了渠池諧振濾波算法，可以過濾掉渠池間由于重力波往復(fù)彈射造成的非線性影響。項(xiàng)目發(fā)表學(xué)術(shù)論文8篇，其中SCI收錄2篇、EI收錄6篇，參加國際會(huì)議并做報(bào)告兩人次；獲得軟件著作權(quán)3項(xiàng)，培養(yǎng)博士生三名、碩士生5名。

目前我國渠道調(diào)度以人工控制為主，效率低下且普遍存在運(yùn)行性棄水，這與我國水資源短缺的國情和建設(shè)和諧社會(huì)的目標(biāo)不符，亟待開展相應(yīng)的理論與技術(shù)研究?？刂泼髑斔到y(tǒng)是由水流、節(jié)制閘、通信及控制系統(tǒng)組成，非恒定水流的滯后、節(jié)制閘產(chǎn)生的渠池間耦合作用以及水波干涉疊加而生的諧振使得該系統(tǒng)的控制建模異常復(fù)雜。本項(xiàng)目擬采用ID模型引入渠池時(shí)滯因素，并以渠池間的耦合關(guān)系作為控制變量，建立系統(tǒng)的線性狀態(tài)空間模型。該線性模型能夠反映系統(tǒng)控制變量的時(shí)-空變化規(guī)律，并可以直接用于實(shí)時(shí)控制器優(yōu)化求解。渠道的水波干涉疊加是造成系統(tǒng)非線性特性的主要原因，本項(xiàng)目擬通過對(duì)濾波算法的研究，從復(fù)雜的水波信號(hào)中提取主要波動(dòng)趨勢，從而達(dá)到簡化控制操作、減少閘門頻繁動(dòng)作的目的。本項(xiàng)目的成功實(shí)施將為我國諸多調(diào)水工程的運(yùn)行調(diào)度提供理論和技術(shù)支持，也為其他非線性系統(tǒng)的控制提供思路，具有一定的科學(xué)意義以及實(shí)踐應(yīng)用價(jià)值。

內(nèi)容簡介

渠道輸水控制需要通過特定的輸水控制模型來實(shí)現(xiàn)給沿線及下游末端用水戶配水，輸水控制模型是保證輸水、配水的關(guān)鍵，在調(diào)度運(yùn)行過程中處于中心地位。本書作者根據(jù)近年來在長距離調(diào)水工程輸水控制方面的研究成果、調(diào)度運(yùn)行系統(tǒng)開發(fā)項(xiàng)目內(nèi)容編寫，包括8章，講述了以輸水成本最小為目標(biāo)的大型明渠輸水控制模型，二步法最優(yōu)控制模型及應(yīng)用，自動(dòng)控制數(shù)字仿真模擬系統(tǒng)開發(fā)及應(yīng)用等。

本書可供調(diào)水工程設(shè)計(jì)及渠道輸水運(yùn)行、管理等部門的工作人員學(xué)習(xí)和參考。 2100433B

內(nèi)容簡介

《長距離調(diào)水工程渠道輸水控制及數(shù)學(xué)模型:原理·應(yīng)用·仿真》內(nèi)容簡介：渠道輸水控制需要通過特定的輸水控制模型來實(shí)現(xiàn)給沿線及下游末端用水戶配水，輸水控制模型是保證輸水、配水的關(guān)鍵，在調(diào)度運(yùn)行過程中處于中心地位?！堕L距離調(diào)水工程渠道輸水控制及數(shù)學(xué)模型:原理·應(yīng)用·仿真》作者根據(jù)近年來在長距離調(diào)水工程輸水控制方面的研究成果、調(diào)度運(yùn)行系統(tǒng)開發(fā)項(xiàng)目內(nèi)容編寫，包括8章，講述了以輸水成本最小為目標(biāo)的大型明渠輸水控制模型，二步法最優(yōu)控制模型及應(yīng)用，自動(dòng)控制數(shù)字仿真模擬系統(tǒng)開發(fā)及應(yīng)用等。 《長距離調(diào)水工程渠道輸水控制及數(shù)學(xué)模型:原理·應(yīng)用·仿真》可供調(diào)水工程設(shè)計(jì)及渠道輸水運(yùn)行、管理等部門的工作人員學(xué)習(xí)和參考。2100433B

預(yù)測控制的算法有幾十種，其中具有代表性的主要有模型算法控制(MAC)、動(dòng)態(tài)矩陣控制(DMC)和廣義預(yù)測控制(GPC)等。

(1)模型算法控制

模型算法控制的原理結(jié)構(gòu)圖與圖8—7相似。模型算法控制的結(jié)構(gòu)包括四個(gè)計(jì)算環(huán)節(jié)．即內(nèi)部模型、反饋校正、滾動(dòng)優(yōu)化及參考軌跡。

這種算法的基本思想為：首先預(yù)測對(duì)象未來的輸m狀態(tài)．再以此來確定當(dāng)前時(shí)刻的控制動(dòng)作，即先預(yù)測再控制。由于它具有一定的預(yù)測性，使得它明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的先輸出后反饋冉控制的PID控制系統(tǒng)。

模型算法控制的具體算法很多，有單步模型算法控制、多步模型算法控制、單值模型算法控制和增量型模型算法控制等，這里不再詳述。

(2)動(dòng)態(tài)矩陣控制

動(dòng)態(tài)矩陣控制與模型算法控制的不同之處在于內(nèi)部模型上。該算法采用的是工程上易于測取的對(duì)象階躍響應(yīng)做模型。其算法較簡單，計(jì)算量少且魯棒性強(qiáng)，在石化工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。

(3)廣義預(yù)測控制

廣義預(yù)測控制是在前面幾種預(yù)測算法的基礎(chǔ)上，引入了自適應(yīng)控制的思想。一般的預(yù)測控制算法主要通過反饋來補(bǔ)償系統(tǒng)誤差，再加上滾動(dòng)優(yōu)化技術(shù)，使模型能對(duì)因時(shí)變、干擾等造成的影響及時(shí)進(jìn)行補(bǔ)償。但這種說法是相對(duì)的，如果內(nèi)部模型的準(zhǔn)確性很差．則仍會(huì)對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性造成嚴(yán)重的影響。廣義預(yù)測控制就是面向此類問題的解決方案。